工程地質(zhì)鉆探辦法的選擇與應(yīng)用

文/賈勇，安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)

工程地質(zhì)鉆探辦法的選擇與應(yīng)用

文/賈勇，安徽省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì)

工程地質(zhì)勘探，利用一定的機(jī)械工具或開挖作業(yè)深入地下了解地質(zhì)情況的工作。在地面露頭較少、巖性變化較大或地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地方，僅靠地面觀測往往不能弄清地質(zhì)情況，這就需要借助地質(zhì)勘探工程來了解和獲得地下深部的地質(zhì)情況和資料。本文論述了工程地質(zhì)勘察及工程地質(zhì)鉆探的原理，經(jīng)過對實(shí)踐工作的理解與剖析，研討出合理化調(diào)整和選用工程鉆探辦法，完成了優(yōu)化鉆探質(zhì)量與提高鉆探效率的目的。

工程地質(zhì)勘察；鉆探辦法

引言

工程地質(zhì)常用的勘探工程有鉆探和開挖作業(yè)兩大類。工程地球物理勘探有時(shí)也被歸入地質(zhì)勘探中。工程地質(zhì)鉆探是一種常見且很重要的工程地質(zhì)勘察辦法，又是采取巖樣土樣及進(jìn)行原位測試不可或缺的手腕之一。鉆探是勘查材料可信性和精確性的保證，特別是關(guān)于碎石土、砂土較厚地層及有特殊土地層中鉆探更為重要。假如鉆探技術(shù)不過關(guān)，便不能精確地揭露地層構(gòu)造也不能取得巖土的客觀物理力學(xué)參數(shù)，招致一些不真實(shí)的參數(shù)及材料呈現(xiàn)在勘察報(bào)告上，影響了工程建立的質(zhì)量，以至可能產(chǎn)生上部擬建構(gòu)造的安全隱患。

1 工程地質(zhì)鉆探的分類

利用鉆機(jī)向地下鉆孔以采取巖心或進(jìn)行地質(zhì)試驗(yàn)的工作。工程地質(zhì)鉆孔的深度通常僅數(shù)十米到數(shù)百米。鉆孔的孔徑變化較大,一般為36～205mm，有時(shí)也采用直徑達(dá)1m的大孔徑鉆孔。工程地質(zhì)勘探中的鉆探方法可分為三大類。

1.1 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)又稱巖心鉆探，巖心鉆探指在軸心壓力作用下的鉆頭用回轉(zhuǎn)方式破壞巖石的鉆進(jìn),可取巖心,也可不取巖心。回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是鉆進(jìn)巖石的主要方法，為了保持巖心的天然狀態(tài)，沖洗液通常采用清水。回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可以選用不同材料的鉆頭，常用的有合金鉆頭、鋼粒鉆頭和金剛石鉆頭。前一種鉆頭適用于鉆進(jìn)軟至中等硬度的巖石。后兩種鉆頭適用于鉆進(jìn)堅(jiān)硬的巖石。為了采取薄層軟弱巖石、夾泥、斷層或破碎巖石的巖心，通常還采用雙層巖心管或三層巖心管以減少鉆進(jìn)中巖心的磨損。為了減少鉆桿升降次數(shù)，提高鉆進(jìn)效率，還可采用繩索取心鉆具，在每一回次鉆進(jìn)后，將巖心從鉆桿中提出孔口。

1.2 沖擊鉆進(jìn)

沖擊鉆進(jìn)利用鉆具自重反復(fù)對孔底進(jìn)行沖擊而使土層破壞的一種鉆進(jìn)方法。沖擊鉆進(jìn)分人力沖擊和機(jī)械沖擊兩種方式。人力沖擊鉆具如洛陽鏟，一般適用于淺孔和地下水位以上土層鉆進(jìn)。機(jī)械沖擊一般采用機(jī)械提升和向下沖擊，適用于各類土層鉆進(jìn)。在河流沖積的砂礫層中鉆進(jìn)時(shí)，為了取得砂礫石樣品，通常采用平閥管鉆沖擊，跟管鉆進(jìn)。

1.3 折疊沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

將沖擊和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相結(jié)合的鉆進(jìn)方法，即鉆頭在孔底回轉(zhuǎn)破碎巖石的同時(shí)，施加沖擊荷載。

2 場地鉆探條件對鉆探辦法選用的影響

場地鉆探條件指的是在工程地質(zhì)鉆探時(shí)，某種鉆探辦法在獲得地質(zhì)材料精確性和提高鉆探效率，在鉆孔構(gòu)造、鉆孔鉆進(jìn)狀況、回次進(jìn)尺率、巖芯采取率、野外巖芯取樣與鑒別等方面，所反映出的實(shí)踐狀況。

關(guān)于土層的鉆探辦法多為回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)、沖擊取心鉆進(jìn)、螺旋取樣鉆進(jìn)。在工程地質(zhì)鉆探過程中，不只請求勝利鉆入，而且的要獲取充沛的如顆粒組成、密實(shí)度等指標(biāo)。如何依據(jù)場地鉆探條件選擇鉆探辦法，讓獲得土樣所反映的地層巖性與該土層的真實(shí)狀況契合，不斷是勘察工作需求處理的問題。關(guān)于土層，在工程地質(zhì)鉆探過程中決議成果精確性及牢靠性的條件主要表如今巖芯采取率和回次進(jìn)尺率等方面。

巖心采取率：權(quán)衡巖石鉆探工程質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是鉆進(jìn)采得的巖心長度與相應(yīng)實(shí)踐鉆進(jìn)尺之比。巖心采取率用系數(shù)δ來量度。

δ=(L2-L1)(L0-L3)

式中：L―本回次巖芯長度，m；

L1―上回次巖芯殘留長度，m；

L0一本回次進(jìn)尺，m；

L3一本回次巖芯殘留長度，m；

回次進(jìn)尺率：回次進(jìn)尺的大小表征著兩重含義，即回次時(shí)間內(nèi)純鉆進(jìn)時(shí)間的長短。回次進(jìn)尺率主要表征鉆進(jìn)的機(jī)械效率，用系數(shù)η來量度。

η=(H2-H1)(H0-H1)

式中：H0―本回次鉆進(jìn)完畢鉆孔深度，m

H1―上回鉆孔實(shí)踐深度，m；

H2―下回次下鉆后鉆孔實(shí)踐深度，m；

實(shí)踐鉆探工作中長期的觀測和總結(jié)得出，δ值在偏離1.0較大時(shí)，回次進(jìn)尺率較低，鉆探效率及質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。相反，δ值在1.0左近區(qū)間變化時(shí)，回次進(jìn)尺率η值在0.9～1.0之間。為了有效提高鉆探質(zhì)量及效率，鉆探中關(guān)于硬塑、的土層選用回轉(zhuǎn)取芯鉆鉆進(jìn)或錘擊取芯鉆探時(shí)，其δ、η值趨近于1.0；關(guān)于軟塑、自然密度較小的土層，用螺旋取樣鉆鉆進(jìn)時(shí)，其值趨近于1.0。總結(jié)出鉆探條件與不同鉆探辦法的關(guān)系見表1。

在工程地質(zhì)鉆探中，地層為碎石類土的狀況較為多見，也是工程地質(zhì)勘查中較為繁瑣的地層之一。這種地層在力學(xué)性質(zhì)上較不穩(wěn)定，其根本特征是顆粒較多、無膠結(jié)，粒徑不均。在這種地層上進(jìn)行鉆探工作時(shí)，較容易毀壞地層相對穩(wěn)定狀態(tài)。為保證獲得精確的材料及保證鉆探質(zhì)量，在這些地層中必需選用合理的鉆進(jìn)辦法，采取先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)。因而鉆探辦法也多采用回轉(zhuǎn)取芯鉆進(jìn)、錘擊取芯鉆進(jìn)等綜合鉆進(jìn)法。依據(jù)鉆探條件，來剖析所選用的鉆探辦法，能否能有效提高鉆探效率和提高鉆探質(zhì)量。首先要剖析不同鉆探辦法在不同的密實(shí)水平、濕潤水平、粒徑和充填物中的適用狀況。1、關(guān)于松懈的卵碎石類地層，顆粒自在度較大，套入條件較好，容易鉆進(jìn)，但是也容易坍塌，適用跟管鉆進(jìn)，關(guān)于較密實(shí)的地層，其中顆粒自在度較小，鉆進(jìn)中孔壁坍塌水平較小，適用于裸孔鉆進(jìn)；

2、關(guān)于含水量較小的卵碎石層層，孔壁不容易發(fā)作坍塌，若其較密實(shí)，適用于裸孔鉆進(jìn)，含水量較大的容易鉆進(jìn)，孔壁也易坍塌，所以首先思索護(hù)壁要素，適用于跟管鉆進(jìn)，當(dāng)卵碎石空隙充填較多粘性土?xí)r，亦可用裸孔鉆進(jìn)；

3、為獲得好的鉆進(jìn)效果，綜合剖析卵碎石粒徑對鉆進(jìn)的影響，選擇適宜的鉆具口徑。通常正常鉆進(jìn)中常運(yùn)用φ127鉆具或φ146鉆具，假如地層粒徑大于巖心管內(nèi)徑或者鉆頭內(nèi)徑，可適度增大鉆具口徑或運(yùn)用小口徑鉆具，以破碎個(gè)體為目的進(jìn)行鉆進(jìn)；

4、關(guān)于卵礫石間多以粘性土充填的地層來說，其粘結(jié)力較強(qiáng)，鉆探工作中孔壁坍塌水平較小，宜用裸孔鉆進(jìn)；關(guān)于卵礫石問多以沙類土充填的地層來說，其粘結(jié)力較差，應(yīng)在鉆進(jìn)中主要思索護(hù)壁問題。為避免用泥漿護(hù)壁有可能對地層進(jìn)行分選，對現(xiàn)場鑒別增加艱難，并思索到這種辦法的效益等要素，不宜采用這種辦法。相比之下更常用套管護(hù)壁。

3 實(shí)踐鉆探工作中鉆探辦法的選取

在鉆探工作中遇到的地層，實(shí)踐狀況多為以上各單一條件的復(fù)雜綜合體，鉆探時(shí)需根據(jù)密實(shí)度、填充、含水率等的差別，在鉆探工作中依據(jù)鉆探條件，及時(shí)選用順應(yīng)的鉆探辦法，以提高鉆探效率和鉆探質(zhì)量。

1、遇到較為松懈的地層，含水率低，填充物多為粘性土?xí)r，回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)，增加提鉆次數(shù)，以使回次進(jìn)尺后起鉆便當(dāng)。

2、遇到較為密實(shí)的地層，含水率低，填充物多為粘性土?xí)r，宜采用合金干鉆，回次開端時(shí)鉆進(jìn)參數(shù)隨進(jìn)尺的增加應(yīng)逐步增加，同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)尺的快慢水平來隨時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。

3、遇到較為松懈的地層，含水率低且填充物中粘性土含量低時(shí)，鉆探宜運(yùn)用跟管鉆進(jìn)辦法。下管前用φ150鉆頭開孔，普通鉆入地層3～6m較為適宜，隨后用壓入、回轉(zhuǎn)后振動的辦法將套管下入。

4、鉆探中采取泥漿護(hù)壁可能使地層分選，將地層中細(xì)顆粒帶走，影響野外地層鑒別的精確性。當(dāng)在卵碎石地層中鉆探時(shí)，應(yīng)防止運(yùn)用泥漿循環(huán)鉆進(jìn)；當(dāng)在地層較為松懈并且粘性土含量較低的場地鉆探時(shí)，可思索選用泥漿護(hù)壁。

4 結(jié)語

工程地質(zhì)勘察是一個(gè)系統(tǒng)工程，通過合理調(diào)整和選用工程鉆探辦法，可以提高鉆探質(zhì)量從而提高鉆探效率。